Логические элементы – Цифровая техника

May 7, 2015 by admin Комментировать »

Выше мы уже рассмотрели простейшие логические элементы — повторители и инверторы. Названы они простейшими так как имеют только один вход и набор функций, выполняемый ими, очень невелик.

В цифровой электронике принято работу каждой микросхемы пояснять с помощью таблицы истинности. Из этой таблицы видно, что появится на выходе микросхемы при подаче на ее вход какого-то уровня. Таблица истинности для повторителя и инвертора изображены на рис. 1.37, а и б соответственно. Выводы из этих таблиц сделайте сами. Если что-то непонятно, обратитесь к тексту «Цифровая электроника»

Для лучшего понимания принципа действия логических элементов нужно обратиться к их эквивалентной схеме. Полная эквивалентная схема логического элемента НЕ (инвертора) изображена на рис. 1.38. Диоды VD1 и VD2 защищают затворы полевых транзисторов от пробоя слишком большим входным напряжением; они есть на всех входах почти всех цифровых микросхем. Пока напряжение на входе находится в пределах 0…+U, они никак не проявляют себя. Но как только входное напряжение станет меньше нуля или больше напряжения «+U», входной ток через соответствующий диод начнет замыкаться на соответствующую шину (например, если напряжение на входе больше напряжения питания «+U», то ток через диод VD1 потечет на этот провод, увеличивая напряжение питания микросхемы). Максимально допустимый ток через диод, подключенный к шине «+U» (VD1), равен 70…150 мА, а черьэ диод, подключенный к общему проводу, — 20…40 мА (последовательно с этим диодом включен резистор небольшого сопротивления). Этот ток в несколько раз больше максимального выходного тока самих микросхем, поэтому каких-либо внешних цепей защиты микросхем от перенапряжения «придумывать» не надо. Многие авторы не признают этого очевидного факта и загромождают свои схемы лишними элементами, изрядно опустошая при этом «золотые запасы» радиодеталей на домашнем мини-складе.

На схеме указаны два конденсатора — С1 и С2. Эти конденсаторы — емкости затвор-исток соответствующих транзисторов, их емкости примерно равны 30 пФ. Эти конденсаторы ограничивают максимальную рабочую частоту логиче ского элемента (не более 2 МГц); при нулевой емкости (а это невозможно) максимальная частота равнялась бы бесконечности. При работе на низких частота (до десятков килогерц) и с не очень высокоомным источником сигнала их емкость можно не учитывать. Сумма емкостей обоих конденсаторов называется входной емкостью логического элемента.

Полевые транзисторы, использующиеся в цифровых микросхемах, немного отличаются от обычных полевых транзисторов. У «микросхемных» транзисторов в подканальной области сформирован специальный слой, к которому приложено напряжение питания. При уменьшении напряжения питания микросхемы также уменьшается напряжение включения транзистора (у обычных полевых транзисторов с изолированным затвором оно абсолютно не зависит от напряжения питания нагрузки), из-за этого уменьшается напряжение переключения логического элемента. Благодаря этой особенности КМОПмикросхемы работают в очень широком диапазоне напряжений: от 1,5…2 до 18…20 В (напряжение пробоя затвора).

Рис. 1.37. Таблицы истинности для одновходовых логических элементов: а — повторителя уровня; б — инвертора

Рис. 1.38. Схема «внутренностей» простейшего логического элемента (инвертора)

Как уже отмечалось выше, при переключении логического элемента возникают сквозные токи; также при периодическом изменении амплитуды сигнала на входе логического элемента заряжаются-разряжаются его входные емкости — на это тоже нужно затратить некоторую энергию. Поэтому различают два режима работы КМОП-ИМС: статический (состояние покоя) и динамиче-

ский режимы. Ток потребления КМОП-микросхем в статическом режиме очень мал, он мал настолько, что его практически невозможно измерить (у исправных микросхем он не превышает единиц наноампер, т. е. примерно равен 0,001 мкА); в динамическом режиме он увеличивается в миллионы раз и при работе на максимальной рабочей частоте может достигать единиц миллиампер. Поэтому в устройствах с автономным источником питания, в целях экономии электроэнергии, все или большинство микросхем большую часть времени, по возможности, должны находиться в статическом режиме.

Выводы канала выходных транзисторов защищены от подачи обратного напряжения на выход, а также от ЭДС самоиндукции, если нагрузка логического элемента носит индуктивный характер (электромагнитное реле, динамик, трансформатор) с помощью диодов VD3, VD4. Максимально допустимый протекающий через них ток не превышает сотни миллиампер. Учитывая, что максимальный ток через каналы транзисторов не превышает нескольких десятков миллиампер, со своей задачей эти диоды справляются отлично.

Для защиты всей микросхемы от подачи обратного напряжения питания служит диод VD5. Этот диод самый мощный, максимально допустимый протекающий через него ток достигает 200 мА. Благодаря ему обратное напряжение на шинах питания микросхемы при ограничении тока питания не превышает 1 В, и при повреждении каналов транзисторов не происходит.

Защита от подачи обратного напряжения была бы гораздо более эффективной, если бы этот диод включался не параллельно шинам питания, а последовательно в разрыв цепи (как диод VD5′). Но такое включение никогда не используется — на диоде падает 0,6…1 В, поэтому минимальное рабочее напряжение питания увеличится на эту величину и станет равным на 2,5…3 В. Это очень много; к тому же большинство фирм-изготовителей цифровых микросхем соревнуются, чьи микросхемы более низковольтны.

Из всего вышесказанного можно сделать такие выводы:

•                входное напряжение логического элемента должно быть либо равным нулю или не превышать напряжение питания. Запрещенная зона входных напряжений должна «проскакиваться» как можно скорей;

•                время переключения логического элемента зависит от выходного сопротивления источника сигнала — чем оно меньше, тем больше быстродействие управляемого элемента;

•                падение напряжения на каналах транзисторов при большом сопротивлении нагрузки близко к нулю, т. е. размах выходного напряжения при пере оде из состояния лог. «Ον в лог. «1» и наоборот равен напряжению питания;

•                КМОП микросхемам не страшно короткое замыкание выходов: у них на выходах стоят полевые транзисторы, а все полевые транзисторы при очень большом протекающем токе Превращаются в генераторы тока, ограничивая протекающий через канал ток на некотором, чаще всего безопасном для транзистора уровне. Но это справедливо для кратковременных коротких замыканий. При длительном замыкании температура кристалла может превысить максимально допустимую и произойдет тепловой пробой — микросхема «сгорит»;

•                входы элементов нельзя оставлять свободными, их нужно подключить или к внешним цепям, или к шинам «Ucc», GND;

•                при подаче обратного напряжения питания амплитудой более 1 В микросхема выйдет из строя.

Обычно микросхемы выпускаются в многовыводном корпусе, с количеством, равным 14, 16, 20, 24. Но, как видно из рис. 1.38, для некоторых микросхем хватило 4 выводов. Поэтому, чтобы добро (оставшийся десяток «ног») не пропадало зря, промышленность выпускает наборы абсолютно независимых друг от друга элементов в одном корпусе. Общие у этих элементов только шины питания, положительный полюс источника питания обычно подключается к «самому последнему» выводу (например, у 14-выводной микросхемы к выводу 14), а отрицательный полюс (земля) — к «половинному» (т. е. 14 : 2 = 7) выведу Но некоторые микросхемы не подчиняются такому правилу — это нужно знать В дальнейшем, в тексте этой книги, номера выводов питания будут отмечаться только у микросхем с «нестандартным» расположением этих выводов.

Микросхема К561ЛН2 представляет собой набор из 6 инверторов (см. рис. 1.39). Кружок на выходе элемента — квадратика — знак инверсии (если кружок есть, выход называется инверсным, если его нет — прямым). Чем инверсия сигнала отличается от повторения сигнала, видно из рис. 1.37. Единица, нарисованная внутри квадратика, — символ логической операции ИЛИ, хотя в принципе там можно было бы нарисовать и знак & — символ операции И. Но в литературе принята «1».

Расшифровка названий логических элементов, а также их изображение на схемах можно найти в таблице на рис. 1.40.

Зная цоколевку микросхемы К561ЛН2, можно проверить ее рабочую способность. Для этого выберем один элемент (например, подключенный к выводам 1 и 2 микросхемы), входы всех остальных элементов (т. е. выводы 3,5,9, 11, 13) соединим с выводом 7 или 14 микросхемы (так как их нельзя оставлять свободными). После этого подадим питание + на микросхему; к ее выводу 2 подключим вольтметр или, что более удобно, какой-нибудь логический пробник (например, изображенный на рис. 1.41 — при уровне лог. «1» светится красный светодиод, при уровне лог. «0» — зеленый; при отключенном выводе ни один светодиод не светится). На выходе должен присутствовать какой-нибудь логический уровень, и, касаясь пальцами входа микросхемы и одного из проводов питания, можно убедиться, что микросхема работает в полном соответствии с рис. 1.37, б (когда на вход подается потенциал с общего провода — вывод 7, — светится красный светодиод (лог. «1»), а когда вход соединен с положительным полюсом источника питания, светится зеленый). После этого можно убедиться в высоком входном сопротивлении элемента — для этого нужно касаться его не пальцем, а через диэлектрик (например, кусочек бумаги или картона). Исправный логический элемент будет переключаться как обычно, но только с некоторой задержкой — это влияют емкости затвора (С1 и С2 на рис. 1.38), которые столь ничтожным током заряжаются довольно долго.

Рис. 1.39. Логические элементы

Рис. 1.40. Расшифровка названий цифровых микросхем (по отечественному стандарту)

После этого можно измерить потребляемый микросхемой ток, подключив в разрыв одного из проводов питания микроамперметр. Логический пробник при этом нужно отключить от выхода микросхемы и шин питания — иначе мы измерим суммарный ток, потребляемый микросхемой и пробником. Можно убедиться, что, когда вывод 1 микросхемы соединен с одним из проводов питания, ток потребления близок к нулю; когда же он ни к чему не подключен, ток потребления редко увеличивается. Когда вход «болтается в воздухе», на нем скапливается случайное напряжение (так как входное сопротивление элемента огромно), и, по закону подлости, это напряжение обычно заходит в запрещенную зону.

Рис. 1.41. Простейший логический пробник

Если мы сделаем «свободными» входы остальных пяти элементов (т. е. снимем перемычку, соединяющую их с шинами питания), то ток потребления микросхемы увеличится еще сильней. Поэтому входы КМОП-микросхем нельзя оставлять свободными, их нужно подключать или к внешним цепям, или к одной из шин питания. В противном случае резко увеличится ток потребления (сама микросхема при этом из строя не выйдет). Кроме того, «свободный» вход чувствителен к статическому электричеству, которое смертельно опасно для микросхемы.

Зная внутреннее строение логического элемента (рис. 1.38), с помощью цифрового мультиметра можно определить его цоколевку (т. е. к какому выводу подключены входы, выходы, шины питания микросхемы), если она неизвестна, а также уточнить расположение выводов питания.

Вначале нужно «найти» выводы питания. Для этого щупами мультиметра, включенного в режим измерения падения напряжения на переходах диодов (этот режим есть во всех цифровых мультиметрах), «лазят» по всем выводам микросхемы и ищут два вывода, падение напряжения между которыми минимально (обычно

500..    .700 мВ). Это и будут выводы питания — красный щуп мультиметра соединен со входом отрицательного напряжения питания («минусом»), а черный — со входом положительного. Если падение напряжения слишком мало (менее 400 мВ), то, скорее всего, это выход микросхемы, к которому подключен канал полевого транзистора с встроенным каналом. Поэтому нужно поискать другой вывод (или выводы), падение напряжения между которыми чуть больше.

У микросхемы К561ЛН2 падение напряжения минимально (около 600 мВ) между выводами 7 и 14, причем только тогда, когда к выводу 7 подсоединен красный щуп мультиметра, т. е. вывод 7 — «минус», а вывод 14 — «плюс» источника питания. После этого можно приступать к поиску входов-выходов микросхемы Для этого одним из щупов нужно «зацепиться» за один из выводов питания микросхемы (или красным щупом за «минус», или черным — за «плюс»), а вторым щупом «лазить» по всем выводам микросхемы. Когда второй щуп соединен с вы одом, число на Индикаторе мультиметра будет примерно на 100 мВ больше, чем когда к шине питания (чем меньше эта разность, тем больше максимально допустимый выходной ток), а когда со входом — на 100…500 мВ больше, чем когда с выходом. Объясняется это тем, что максимальный допустимый ток через диоды VD3, VD4 (см. рис. 1.38) гораздо больше, чем через диоды VD1, VD2, поэтому падение напряжения на них меньше. Кроме того, к выходу подключены каначы (или р-п-переходы — в зависимости от разновидности) выходных транзисторов Разные входы можно отличить друг от друга по падению напряжения на них; падение напряжения на некоторых входах очень велико, и мультиметр «зашкаливает». Отличить такие входы от неподключенных к кристаллу микросхемы выводов можно, если измерить падение напряжения на них относительно другой шины питания микросхемы. Если оно также будет очень высоко, скорее всего, вывод в «обрыве» или к нему подключен затвор полевого транзистора. Но полевые транзисторы в составе микросхем почти всегда защищены диодами. Поэтому, наверное, вывод «в обрыве». Уточнить это можно, только подав на микросхему напряжение питания.

Таким методом можно определить цоколевку у всех микросхем — и цифровых, и аналоговых. У последнего типа микросхем падение напряжения на более мощном (не промежуточном) выходе меньше.

Выше были рассмотрены одновходовые логические элементы. Помимо них, существуют также многовходовые логические элементы, которые более распространены и чаще используются, хотя бы потому, что позволяют осуществлять простейшие логические операции.

Известно три типа логических операций: И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и их инверсные производные: И-НЕ, ИЛИ-HE, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ.

Таблицы истинности этих операций можно найти на рис. 1.42, а изображение элементов на схемах — на рис. 1.40.

Рассмотрим функцию И. Так как элементы И-НЕ и ИЛИ-HE в схемах используются гораздо чаще, чем просто И и ИЛИ (без инверсии), то в таблице нас будет больше интересовать колонка с инверсными выходами. Кстати, среди отечественных микросхем нет элементов ИЛИ, есть только элементы ИЛИ-НЕ.

Как видно из рис. 1.42, а, уровень лог. «0» на выходе элемента И-НЕ появится только в том случае, если на всех входах элемента будут присутствовать «единицы». Если хотя бы на одном из входов появится уровень лог. «0», на выходе появится уровень лог. «1». Элемент ИЛИ-НЕ работает противоположным образом. Уровень лог. «1»на выходе появится только в том случае, если на всех входах элемента присутствуют нули. Если хотя бы на одном (или на всех) входах появится уровень лог. «1», на выходе появится уровень лог. «0».

Элемент ИЛИ-НЕ можно представить как элемент И, на всех входах которого стоят инверторы, а элемент И-НЕ — как элемент ИЛИ с инверторами на всех входах. Можете проверить, это по таблицам.

Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ работает следующим образом: если сигналы на обоих входах совпадают (у таких элементов, в отличие от элементов И

Рис. 1.42. Таблицы истинности для многовходовых логических элементов

(И-НЕ) и ИЛИ (ИЛИ-HE), всегда только два входа) — на выходе уровень лог. «0». Если они разные — то на выходе уровень лог. «1». Этот элемент можно использовать или в качестве инвертора, или вместо повторителя уровня. Как видно из таблицы на рис. 1.42, в, если на один из входов элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подать уровень лог. «0», то на выходе будет присутствовать тот же уровень, что и на втором входе (т. е. он включен как повторитель). Если на один из входов подать уровень лог. «1», то элемент превратится в инвертор и на его выходе будет присутствовать инверсная относительно второго входа информация.

Существует также трехвходовый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, он называется мажоритарным клапаном (рис. 1.42, г). На выходе такого элемента появляется тот сигнал, который присутствует на большинстве входов (т. е. на двух или всех трех). Радиолюбителями такие элементы используются очень редко, используются они в основном только там, где нужна очень высокая надежность (например, в ракетостроении). Для этого один какой-нибудь очень ответственный датчик резервируют, т. е. ограничиваются не одним датчиком, как обычно, а встраивают целых три абсолютно независимых датчика, и сигналы с их выходов подают на входы мажоритарного клапана. Если все датчики исправны, то на их выходах будут одинаковые уровни сигналов, такой же уровень будет и на выходе клапана. Если один из датчиков внезапно выйдет из строя и на его выходе появятся случайные уровни сигнала, то это абсолютно не отразится на работе схемы, ведь на выходе обоих «оставшихся в живых» датчиков будут одинаковые уровни. На этой стадии легко узнать о неисправности, если параллельно входам мажоритарного клапана подключить трехвходовые элементы И и ИЛИ. И только если выйдут из строя два или все датчики, на выходе мажоритарного клапана появится «неправильная» информация.

К отдельному классу логических элементов относятся так называемые триггеры Шмитта. Они бывают с одним (инверторы К561ТЛ2) и двумя (логика И-НЕ на входе К561ТЛ1) входами. Триггеры Шмитта можно использовать как обычные логические элементы, но, благодаря небольшому гистерезису переключения, их в то же время можно использовать в некоторых других схемах, в которых логические элементы работать не будут.

На гистерезисе я уже останавливался, когда описывал усилители тока на транзисторах. Но повторение — мать учения, поэтому здесь я остановлюсь на нем повторно.

Объяснить словами, что такое «гистерезис», очень сложно, поэтому я сразу отсылаю читателя к рис. 1.43 (сравните его с рис. 1.35, г), на котором этот самый гистерезис изображен.

Пока напряжение на входе триггера Шмитта меньше напряжения U,, микросхема воспринимает его как уровень лог. «0». Но как только оно немного превысит напряжение U,, триггер Шмитта лавинообразно и почти мгновенно переключается. Переключение в исходное состояние возможно только тогда, когда входное напряжение станет меньше напряжения U0 (направления на рисунке помечены стрелками).

Одна из особенностей триггера Шмитта, выгодно отличающая его от всех остальных логических элементов, — у него в принципе невозможно возникновение сквозных токов на выходе, а также при плавном нарастании (изменении) входного напряжения выходное напряжение изменяется очень резко. Поэтому триггеры Шмитта идеальны для применения в цифровой электронике, с ее резкими изменениями амплитуды сигнала.

Рис. 1.43. Зависимость выходного напряжения от напряжения на входе у неинвертирующего триггера Шмитта

Триггер Шмитта — переходное звено между простейшими (логические элементы) и более сложными (триггеры) микросхемами. Как и все триггеры, этот способен запоминать информацию. Нужно только с помощью внешнего делителя напряжения на резисторах установить на входе триггера Шмитта напряжение, равное напряжению переключения Шпркл, половинное напряжение гистерезиса — см. рис. 1.43). Если теперь кратковременно подать на его вход напряжение больше напряжения U,. триггер его «запомнит» и уровень лог. «1 « на его входе будет сохраняться до тех пор, пока на вход триггера не поступит напряжение меньше уровня U0.

При работе с плавно нарастающим входным сигналом триггер Шмитта сдвигает его фазу (рис. 1.44). Как видно из рисунка, «середина» сигнала на выходе триггера Шмитта несколько сдвинута относительно входного сигнала и сигнала на выходе логического элемента, входы которого подключены параллельно входам триггера. Об этом нужно помнить.

К логическим элементам относятся также аналоговые коммутаторы. Эти коммутаторы управляются цифровыми уровнями, а коммутировать способны как цифровой, так и аналоговый сигнал (его амплитуда не должна превышать напряжение питания).

На схемах аналоговые коммутаторы (микросхема К561КТЗ — четыре независимых коммутатора в одном корпусе) разные авторы рисуют по-разному (рис. 1.45), самая простая и наиболее наглядная схема изображена в пункте «а», поэтому здесь и далее, в тексте этой книги, будет встречаться только эта схема. Вообще в электронике при изображении какого-нибудь прибора (транзистора, микросхемы и т. д.) автором картинки этого прибора преследуется одна-единственная цель — чтобы другие люди (читатели) смогли сами догадаться, «что это такое и как оно работает», не выискивая ответ в тексте. Чем нагляднее изображения отдельных элементов, тем проще понять, как и почему работает вся схема. Если же все элементы изобразить в виде «черных ящиков», то разобраться в работе такого устройства не сможет даже серьезный специалист. Если вы не разобрались в работе устройства, то возможно только слепое копирование его схемы, т. е. использование тех же деталей, которые использовал его автор. И если какой-то одной маленькой детальки у вас не окажется (а автор разрабатывает схему устройства с учетом имеющихся у него, а не у читателя деталей), то всю схему приходится браковать и выбрасывать в мусор. В то же время если вы разобрались в работе устройства и знаете, как можно одной дета-

Рис. 1.44. Зависимость выходного напряжения (б) от входного (а) у повторителя уровня; в — неинвертирующего триггера Шмитта

Рис. 1.45. Изображение аналогового коммутатора на схемах лью или группой деталей заменить другие детали (об этом чуть ниже), то вам не составит труда чуть ли не полностью перечертить схему, используя в ней имеющиеся у вас детали. И эта схема будет работать точно так же, как и первоисточник, а возможно, что и лучше, — ведь у автора первого варианта схемы может попросту не оказаться тех лучших деталей, которые есть у вас, и ему пришлось умышленно собирать заведомо худший вариант.

Для того чтобы радиолюбители разных стран могли понимать друг друга, изображения всех элементов во всех странах соответствуют единым международным стандартам. Но у русских, которые всегда стремятся «выпендриться», по части изображения элементов на схемах существует свой собственный стандарт, который, слава богу, не очень сильно отличается от международного. В этой книге изображения всех элементов соответствуют отечественному стандарту; мне, как автору, так легче. Единственное исключение — изображение аналогового коммутатора. Общепринятая схема на рис. 1.45, б, я же предпочитаю более наглядную схему на рис. 1.45, а. Надеюсь, со временем общепринятым станет более наглядный вариант изображения. «Все, что ни делается — только к лучшему!» — как говорил классик.

Между входом и выходом аналогового коммутатора включены каналы двух полевых транзисторов — пи p-типа. Через канал транзистора с п-каналом текут только электроны, а с р-каналом — только дырки. Так как каналы обоих транзисторов соединены параллельно, то аналоговый коммутатор представляет собой электрически управляемый резистор, сопротивление которого не зависит от амплитуды напряжения на его выводах.

Управляется аналоговый коммутатор логическими уровнями. При уровне лог. «0» его контакты разомкнуты и сопротивление между ними очень велико (более 1000 МОм). При уровне лог. «1»на управляющем входе сопротивление между его контактами не превышает 100 Ом. При плавном увеличении напряжения на управляющем входе сопротивление каналов транзисторов уменьшается также плавно.

Цоколевка выводов большинства логических элементов микросхем серий К176, К561, К564 приведена на рис. 1.39. Для облегчения процесса изготовления платы на большинстве рисунков показано расположение отдельных элементов внутри единого корпуса микросхемы. На профессиональных схемах устройств отдельные элементы микросхем рисуются отдельно друг от друга, хотя, если это удобно для восприятия, их можно объединять. Отдельные «части» разных микросхем объединять ни в коем случае нельзя!

Многие разные логические элементы с одинаковым количеством входов-выходов расположены в стандартных корпусах с одинаковой цоколевкой выводов. Поэтому, чтобы уменьшить количество «картинок» на рис. 1.39, элементы с совпадающей цоколевки я объединил на одном рисунке, перечислив внизу их названия. Друг от друга они отличаются только принципом действия (см. рис. 1.40 и 1.42).

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты